祝賀引力波，致敬電磁波的發現

2017年諾貝爾獎物理學獎頒給LIGO科學合作組織的三位主要成員：雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish），以表彰他們對引力波探測器LIGO的決定性貢獻及其對引力波的觀察。

雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）

在這之前，我們關於宇宙的信息來自宇宙中傳來的電磁波和高能粒子。目前幾乎所有的物理測量手段，都是通過電磁相互作用來觀察我們的世界。引力波的探測，打開了一個觀察世界的全新窗口。看到有人說，真的想再活500年，看看引力波有什麼用。小編也有這樣的想法，看看引力波可以為人類帶來的翻天覆地的變化。

就如當年電磁波的發現，有人說它一文不值，因為，一時找不到在現實中的用途。但此後的事實證明，它的應用難以計數，並徹底改變了這個世界，至今仍受益無窮，人類將繼續受益該理論。所以引力波是人類又一里程碑式的重大發現，它可能是人類新一輪前所未有的創新開始，將又一次徹底翻天覆地的改變人類生活方式，其影響力將難以估量。真正的科學創新，要幾十年甚至幾百年的科學積累，是幾代科學家前仆後繼，默默無聞工作的結果，是真正的厚積而薄發。

如今引力波被發現並獲得諾貝爾物理學獎。讓我們回顧一下200年前同樣神秘的電磁波的發現及應用歷程，看看電磁波是如何開創人類無線電技術的新紀元。電話、電報、電視、網路、手機、導航、雷達等深刻改變人類社會發展進程的發明，精確的折射出了人類掌握和使用電磁波的能力。

電磁波的發現——近代科學史上的一座里程碑

1888年，當赫茲在他的實驗室里證實了電磁波的存在後，同樣轟動了全世界的科學界。由法拉第開創，麥克斯韋總結的電磁理論，至此才取得決定性的勝利。當年赫茲發現電磁波後，在他發表文章的結語處寫道「我不認為我發現的無線電磁波會有任何實際用途」。而當時兩位20多歲的年輕人，馬可尼和特斯拉，卻從赫茲的實驗中突生夢想，逐步地計劃並實現了將電磁波用於通訊上。

20世紀以來，電磁波的理論和應用不斷取得重大成就，使電磁波成為人類傳遞信息和能量的最重要的形式之一，使通信（包括衛星通信、光纖通信）、廣播、電視、遙測、遙控、遙感、雷達、無線電導航、制導等得以實現；並成為探索宇宙空間和研究微觀世界的重要途徑。

如今，電磁波對當今人類文明的進步和發展之重要性已經毋庸置疑，眾人皆知。電磁波的發現具有劃時代的意義，開創了人類無線電技術的新紀元，成為了近代科學史上的一座里程碑。

神秘的電磁波發現及應用歷程

早期的電磁學研究比較零散，準確的來說是關於電的研究。下面按照時間順序將電磁學主要事件列出如下：

1650年，德國物理學家格里凱在對靜電研究的基礎上，製造了第一台摩擦起電機。

1720年，英國牧師格雷研究了電的傳導現象，發現了導體與絕緣體的區別，同時也發現了靜電感應現象。

1733年，杜菲經過實驗區分出兩種電荷，稱為松脂電和玻璃電，即現在的負電和正電。他還總結出靜電相互作用的基本特徵，同性排斥，異性相吸。

1752年，美國科學家富蘭克林對放電現象進行了研究，他冒著生命危險進行了著名的風箏實驗，發明了避雷針。

1785年，法國物理學家庫侖測量了電荷之間的作用力，並且從牛頓的萬有引力規律得到啟發，用類比的方法得到了電荷相互作用力與距離的平反成反比的規律，後來被稱為庫侖定律，就是點電荷作用力公式，F=kQ1Q2/r^2，同名相斥，異名相吸。

1820年丹麥科學家奧斯特證明通電導體周圍存在磁場，就是著名的奧斯特實驗，指南針偏轉。這個消息傳到巴黎後，啟發了法國物理學家安培。

1822年，安培在實驗的基礎上，以嚴密數學形式表述了電流產生磁力的基本定律，即安培定律。安培通過研究電流和磁鐵的磁力情況，他認為磁鐵的磁力在本質上和電流的磁力是一樣的，提出了著名的安培分子電流假說。

1831年，法拉第提出電磁感應定律[因磁通量變化產生感應電動勢的現象]，並且他提出了力線和場的概念。他用實驗證明了電不僅可以轉化為磁，磁也同樣可以轉變為電。運動中的電能感應出磁，同樣運動中的磁也能感應出電。

1865年，接下來要說的這個人，便是天才的麥克斯韋了。法拉第精於實驗研究，而麥克斯韋擅長於理論分析概括，他們相輔相成，導致了科學上的重大突破。麥克斯韋首次提出了號稱上帝寫出的麥克斯韋方程組！！看過一本書上說愛總當年是受某個著名物理學家刺激，走上了物理學之路，恩，這個某個著名物理學家就是麥克斯韋，他的方程組直接在經典力學的大廈旁邊，建立了電磁學的摩天大樓，所有的電磁現象都可以用這組方程描述！號稱上帝寫下的詩！而且，麥克斯韋直接在方程中預言了電磁波的存在，當時完全沒有人知道電磁波是個什麼玩意！麥克斯韋直接就給出了預言，而且預言電磁波的傳播速度就是光速！

1888年，德國物理學家赫茲（這名字眼熟吧？對，頻率的單位就是用他的名字命名的，那個Hz）完成了他一生中最著名的實驗，證明了電磁波真實存在。赫茲一輩子活了40歲都不到，甚至可以說，他就是上帝派來為人類完成這個實驗的！順便提一句，這個著名的證明電磁波存在的實驗中還暗含了量子力學的伏筆——光電效應，不過咱們這裡談的是電磁學，量子論的東西按下不表，我也不懂，不敢亂扯。

好了，到此為止，電磁波終於被證明真實存在，接下來，就是開始應用了。接下來進入炫麗的電磁波的光輝歲月。

1898年，義大利電氣工程師馬可尼發了第一封無線電，成為無線電之父。為表彰馬可尼對發展無線電報技術的貢獻，1909年他被授予諾貝爾物理學獎。

1906年，無線電廣播發明，人類開始有了收音機。

1930年代，雷達發明，為大英帝國打贏不列顛空戰立下汗馬功勞。

1945年，美國工程師斯彭塞研究雷達的時候意外發現了電磁波的熱效應，鼓搗出了微波爐，從此人類熱飯熱菜可以不用點火了。你現在中午在單位熱個便當，還得感謝他。

1957年，人類第一顆衛星上天，前蘇聯的斯普特尼克1號，開啟太空時代。

1964年，GPS系統組網成功上線，人類遠航的時候，終於可以徹底告別羅盤指南針，不用再擔心迷路。

1965年美國貝爾實驗室的雷達工程師（又是雷達！）彭奇亞茲和威爾遜在研究雷達雜訊的時候意外發現了3k背景輻射，證實了大爆炸理論，謝耳朵研究的就這東西。同時開啟了射電天文學時代，以前的望遠鏡觀測的都是可見光頻段，從此可以觀測無線電波、紅外、紫外、x射線、伽馬射線頻段了。隨之而來的射電天文學四大發現，讓人類對於宇宙的認識上升到一個新的高度，其中的脈衝星引發的「小綠人」的猜想，還引發了一陣關於地外生命的討論，外星人真的存在嗎？

1969年，阿姆斯特朗登上月球，那句振奮人心的「個人一小步，人類一大步」激勵了一代人！至少十億觀眾在電視機前看到了這小小的一步，跨越了幾千年文明的一步！

1973年，美國的moto羅拉公司工程師馬丁·庫帕發明手機,移動通信時代開始。

1986年，第一套移動通訊系統在美國芝加哥誕生，代表1G通信時代開始。採用模擬訊號傳輸，模擬式為代表在無線傳輸採用模擬式的FM調製，將介於300Hz到3400Hz的語音轉換到高頻的載波頻率MHz上。

接下來就是大家熟悉的2G、3G、4G移動通信時代，以及正在到來的5G通信時代。

而今天，你我的生命中，哪裡離得開電磁波？你至少此時此刻，用你的手機刷著微信，就得感謝這些科學家，感謝那些默默努力一輩子的科學家，他們是人類的脊樑。

向法拉第、麥克斯韋、赫茲等科學家致敬！

在電磁波歷史中有很多人的名字，不應該被忘記，尤其是這些人。富蘭克林，庫倫，歐姆，奧斯特，安培，法拉第，麥克斯韋，赫茲，致敬他們！

英國實驗科學家法拉第在1831年開始一連串重大的實驗，並發現了電磁感應。這個重要的發現來自於，當他將兩條獨立的電線環繞在一個大鐵環，固定在椅子上，並在其中一條導線通以電流時，另外一條導線竟也產生電流。他因此進行了另外一項實驗，並發現若移動一塊磁鐵通過導線線圈，則線圈中將有電流產生。同樣的現象也發生在移動線圈通過靜止的磁鐵上方時。

他的展示向世人建立起「磁場的改變產生電場」的觀念。此關係由法拉第電磁感應定律建立起數學模型，並成為四條麥克斯韋方程組之一。這個方程組之後則歸納入場論之中。法拉第並依照此定理，發明了早期的發電機，此為現代發電機的始祖。

1839年他成功了一連串的實驗帶領人類了解電的本質。法拉第使用「靜電」、電池以及「生物生電」已產生靜電相吸、電解、磁力等現象。在他生涯的晚年，他提出電磁力不僅存在於導體中，更延伸入導體附近的空間里。這個想法被他的同僚排斥，法拉第也終究沒有活著看到這個想法被世人所接受。法拉第也提出電磁線的概念：這些流線由帶電體或者是磁鐵的其中一極中放射出，射向另一電性的帶電體或是磁性異極的物體。這個概念幫助世人能夠將抽象的電磁場具象化，對於電力機械裝置在十九世紀的發展有重大的影響。

法拉第如浩瀚宇宙般深邃的物理思想，強烈地吸引了同在英國的一位年輕人——來自英國蘇格蘭愛丁堡的麥克斯韋（詹姆斯麥克斯韋，James Clerk Maxwell，1831～1879）。麥克斯韋認為，法拉第的電磁場理論比當時流行的超距作用電動力學更為合理，他抱著用嚴格的數學語言來描述法拉第理論的決心闖入了電磁學領域，並成為繼法拉第之後集電磁學大成的偉大科學家。

麥克斯韋於1855年左右開始研究電磁學。在潛心研究了法拉第關於電磁學方面的新理論和思想之後，他堅信法拉第的新理論包含著真理。他在前人成就的基礎上，對整個電磁現象作了系統、全面的研究，憑藉他高深的數學造詣和豐富的想像力接連發表了電磁場理論的三篇論文：

《論法拉第的力線》（On Faraday』s Lines of Force，1855年12月）；《論物理的力線》（On Physical Lines of Force，1862年）；《電磁場的動力學理論》（Adynamical theory of the electromagnetic field，1864年12月8日）。

這三篇重要的論文對前人和他自己的工作進行了綜合概括，將電磁場理論用簡潔、對稱、完美的數學形式表示出來，經後人整理和改寫，成為經典電動力學主要基礎——麥克斯韋方程組。

據此，1865年他預言了電磁波的存在。麥克斯韋經過理論推演，認為電磁波只可能是橫向傳導波，並計算了電磁波的傳播速度等於光速。同時，他的靈感促使自己得出一個重要結論：光是電磁波的一種形式。這揭示了光現象和電磁現象之間的聯繫。麥克斯韋將這些理論的論證和推導結論整理成冊，於1873年出版了科學名著《電磁學通論》（Treatise on electricity and magnetism），系統、全面、完美地闡述了電磁場理論。這一理論成為經典物理學的重要支柱之一。

這一名著後來被傳到了德國，深深打動了一位德國物理學家的心。他就是赫茲（海因里希赫茲，Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）。赫茲在柏林大學學習物理時，受赫爾姆霍茲的鼓勵研究麥克斯韋電磁理論。當時德國物理界深信韋伯的電力與磁力可瞬時傳送的理論，因此赫茲就決定以實驗來證實韋伯與麥克斯韋理論誰的正確。1888年，赫茲的實驗成功了，驗證了電磁波的存在。而麥克斯韋理論也因此獲得了無上的光彩。

赫茲在實驗時曾指出，電磁波可以被反射、折射和如同可見光、熱波一樣的被偏振。通過實驗計算，他發現電磁波的傳播速度與光速相同，從而全面驗證了麥克斯韋的電磁理論的正確性。

1888年，赫茲將這些成果總結在《論動電效應的傳播速度》一文中，德語原文：

Ueber die Ausbreitungsgeschwindigkeit der electrodynamischen Wirkungen，H Hertz - Annalen der Physik, 1888On the finite velocity of propagation of electromagnetic actions，H Hertz - Electric Waves, 1888or （On the electric effect of the propagation velocity of moving）。

1894年37歲的赫茲因為敗血症在波恩英年早逝。他的侄子古斯塔夫·路德維格·赫茲是諾貝爾獎獲得者，古斯塔夫的兒子卡爾·海爾莫斯·赫茲創立了超聲影像醫學（例如常見的B超）。赫茲對人類文明作出了很大貢獻，為了紀念他的功績，人們用他的名字來命名各種波動頻率的單位，簡稱「赫茲」。

姓名	國籍	生卒年月日	享年	家庭出身	主要功績
法拉第	英國	1791.9.22-1867.8.25	76	父親為貧苦鐵匠	物理學家、化學家。發現了法拉第電解定律、電磁場理論，提出電磁感應學說，提出磁場力線的假說，證明電荷守恆定律。
麥克斯韋	英國	1831.6.13-1879.11.5	48	父親為機械設計師	物理學家、數學家。建立麥克斯韋方程組、創立經典電動力學、
赫茲	德國	1857.2.22-1894.1.1	37	猶太家庭，父親是漢堡城的顧問，母親是醫生的女兒	物理學家，證明了電磁波的存在。

再次向那些改變人類的一流科學家們致敬！

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